计算机网络体系结构

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Concept

一般认为，计算机网络是一个将众多分散、自治的计算机系统通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。网络由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（Link）组成。网络之间还可以通过路由器互连，形成互连网（internet）

• 互连网，internet 泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，可以使用任意的通信协议
• 互联网，Internet 专指当前最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它使用 TCP/IP 族作为通信规则

网络中的 Node 可以是计算机、集线器、交换机或路由器等

从工作方式上看，计算机网络可分为边缘部分和核心部分：

• 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
• 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

所谓计算机之间通信，一般指边缘部分上主机 A 的某个进程与主机 B 的另一个进程进行通信。端系统中运行的程序之间的通信方式通常可分为 C/S 和 P2P 两种。

路由器（Router）在网络核心部分起到重要作用，它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换。为了了解分组交换的原理，我们首先学习电路交换和报文交换两个概念。

电路交换

传统电话网是最典型的电路交换网，其特点是在进行数据传输前，两个用户必须先建立一条专用的物理通信路径，并且在数据传输过程中始终独占这条线路，直到通信结束。

从通信资源分配角度来看，「交换」（switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在电路交换中，它的含义是把一条电话线转接到另一条电话线上，使其连通。

在通信路径建立后，两个节点之间的通信不存在存储转发耗费时间，比特流就好像在一个管道中传送。因此，电路交换的优缺点如下：

【优点】

1. 通信时延小
2. 有序传输
3. 没有冲突，不会争用物理信道
4. 实时性强

【缺点】

1. 建立连接时间长
2. 线路利用率低
3. 灵活性差，物理通路中任意一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接
4. 难以实现差错控制，因为中间节点不具备存储和检验数据的能力

计算机之间的数据传送往往是突发式（高频、少量），因此电路交换的线路资源利用率难以接受

报文交换

报文（Message）由用户数据加上一些额外信息封装而成，是数据交换的单位。

报文交换已经引入了存储转发技术，相邻的节点接收到报文后会将其存储，并查找自己的转发表以确定下一个转发的节点。

相比电路交换，报文交换有如下优缺点：

【优点】

1. 无建立连接时延
2. 线路分配灵活
3. 线路利用率高
4. 支持差错控制

【缺点】

1. 转发时延高
2. 缓存开销大
3. 错误处理低效，如果报文较长，发生传输错误的概率相对更大，重传整个报文的代价也更大

分组交换

为了解决报文交换中的报文过长问题，源主机在发送之前，会把报文划分成若干较小的等长数据段，并且在每个数据段前面添加必要控制信息组成首部，构成分组（Packet）

同时，由于传输的单位从整个报文变为了更小的分组，分组交换具有如下优缺点：

【优点】

1. 方便存储管理，存储转发开销小。因为分组长度固定，所以相应缓冲区大小也固定
2. 传输效率高，采用流水线方式减少了报文传输时间（见下图）
3. 减少出错概率和重传代价

【缺点】

1. 仍然存在一定存储转发时延
2. 分组具有额外控制信息，增加额外传输量
3. 如果使用数据报服务，可能存在分组失序、丢失或重复等情况；如果使用虚电路服务，则需要呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

如果需要连续传输大量数据，且传送时间远大于连接时间，则选择电路交换最合适

协议与模型

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构，其中最底层是整个层次结构的基础；最高层则面向用户提供服务。

• 协议数据单元（PDU） 对等层之间传送的数据单位，各层的 PDU 都分为服务数据单元和协议控制信息两部分
  • 物理层称比特流，数据链路层称帧，网络层称分组，传输层称报文段
  • 协议控制信息（PCI） 控制协议操作的信息
• 服务数据单元（SDU） 层与层之间交换的数据单位，n-SDU 指 n+1 层与 n 层交换的单位
  • n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

网络协议（Network Protocol）是为了在网络中进行数据交换而建立的标准，作用于对等实体之间，是水平的。

而服务指的是下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的，二者概念不同。

计算机网络提供的服务可按照如下三种方式分类：

面向连接服务与无连接服务

• 面向连接服务 通信前双方必须先建立连接，并分配相应资源；传输结束后要释放连接和占用的资源。
  • 例如 TCP 就是一种面向连接服务的协议
• 无连接服务 通信前双方不需要先建立连接，“尽最大努力交付”数据，是一种不可靠的服务。
  • 例如 IP，UDP 就是一种无连接服务的协议

可靠服务与不可靠服务

• 可靠服务 指网络具有纠错、检错、应答等机制，能够保证数据正确可靠传送到目的地
• 不可靠服务 指网络尽量让数据正确可靠传送到目的地
  • 不可靠服务网络的正确性、可靠性要由应用和用户来保障

有应答服务和无应答服务

• 有应答服务 指接收方收到数据后像发送方给出相应的应答
  • 例如文件传输协议 FTP 就是一种有应答服务
• 无应答服务 指接收方不自动给出应答，若需要应答则由高层实现
  • 例如 WWW 服务 就是一种无应答服务

TCP/IP 模型 和 开放式系统互联(OSI)模型 是研究和讨论网络功能时使用的主要的模型和通用语言。

• <1> OSI 参考模型的最大贡献是精确定义了服务、协议、接口三个主要概念；而 TCP/IP 在这三个概念上没有明确区分
• <2> OSI 参考模型是 7 层模型，而 TCP/IP 是四层模型
• <3> OSI 参考模型先有模型，后有协议规范，适合通用描述各种网络；而 TCP/IP 模型现有协议栈，后建立模型，因此不适合任何其它的非 TCP/IP 网络
• <4> OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接通信，但传输层仅有面向连接通信；TCP/IP 模型在网际层仅有无连接通信，但传输层支持无连接和面向连接通信

Quote

两个模型都不是完美的，本课程采取折中的办法，采用了 5 层协议的体系结构：

计算机网络度量单位

本节给出了计算机网络中相关度量单位的概念。

比特率 bit rate

• 概念: 主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率
• 单位: b/s（or bps）

带宽 bandwidth

• 概念: 在计算机网络中指网络通信线路能传送数据的能力，即最高数据传输速率
• 单位: b/s（or bps）

吞吐量 throughput

• 概念: 单位时间内通过某个网络（or 信道、接口）的数据量
• 单位: b/s（or bps）

时延 delay

• 概念: 数据从网络的一端传送到另一端所需的时间
  • 传输时延 transmission delay: 又被称为发送时延，数据从节点进入传输介质所需要的时间，通常等于数据量大小除以比特率
  • 传播时延 propagation delay: 电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间，通常等于信道长度除以电磁波在信道内的传输速度（例如光速 c）
  • 处理时延 processing delay: 主机或路由器收到分组后，为处理分组所花费的时间，例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由
  • 排队时延 queueing delay: 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延
• 单位: s

往返时延 Round-Trip Time

• 概念: 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认经过的总时间
  • 可用于判断网络的连通性，最典型的为 ping 命令
• 单位: s

时延带宽积 bandwidth-delay product

• 概念: 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出多少比特
  • 直观来看，即同一时刻链路中的比特总数
  • 时延带宽积 \(=\) 传播时延 \(\times\) 信道带宽
• 单位: bit

信道利用率

• 概念: 某个信道百分之多少的时间是有数据通过的
  • 信道利用率 \(=\) 有数据通过的时间 \(/\) (有数据通过的时间 + 无数据通过的时间)
  • 信道利用率太低则浪费网络资源；信道利用率太高则产生较大时延，导致网络拥堵
• 单位: 无

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